考虑温湿场耦合应力的衬砌湿养护最短时间确定.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:年度河南省高等学校重点科研项目()国家自然科学基金项目()“十四五”重点研发计划项目()作者简介:邱 岗男讲师硕士主要从事水利工程结构安全性分析研究 :.通信作者:孙明明男讲师博士主要从事水工结构承载力研究 :.文章编号:()引用本文:邱岗孙明明薛冰寒等.考虑温湿场耦合应力的衬砌湿养护最短时间确定.人民长江():.考虑温湿场耦合应力的衬砌湿养护最短时间确定邱岗孙 明 明薛 冰 寒李斌(.信阳职业技术学院河南 信阳 .郑州大学 水利与交通学院河南 郑州 .重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室河南 郑州 .水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心河南 郑州 .黄河实验室(郑州大学)河南 郑州)摘要:混凝土衬砌的湿养护是决定结构安全的关键因素 采用有限元法对大型衬砌结构进行建模求解获得了衬砌结构浇筑过程中两种主要应力(温度应力和干缩应力)的极值位置和方向 基于简易温湿场耦合应力计算方法结合混凝土允许抗拉强度变化趋势明确了衬砌结构湿养护最短时间 研究结果表明:干缩应力对衬砌结构危害程度要远大于温度应力对于薄壁混凝土结构通过湿养护可以延后衬砌浇筑中耦合应力极值出现时间降低衬砌开裂风险在考虑温度应力的作用下明确薄壁混凝土结构最短养护时间是防止干缩裂缝出现的关键关 键 词:湿度场 干缩应力 衬砌 温湿耦合应力 养护时间 有限元方法中图法分类号:文献标志码:./.引 言衬砌属于典型的薄壁水工结构其厚度远远小于长度和宽度 已有研究表明干缩应力是水工薄壁衬砌混凝土结构裂缝产生的重要原因 在实际工程中由于衬砌厚度很小相对于闸墩、闸底板等结构衬砌内外温差较小 温度应力并不是衬砌发生裂缝的主要原因 混凝土内部湿度的传递性能低于温度传导性能且因为衬砌厚度小中心点热量聚集现象不明显而混凝土表面湿度不断与外界进行交换因此衬砌中湿度梯度变化要大于温度梯度变化干缩应力危害也要远大于温度应力针对衬砌结构干缩应力问题大量学者进行了数值和理论研究 程大鹏给出了湿度场和干缩应力的差分算法提高了湿度场求解效率 余俊等推导了隧道干缩应力的计算公式以及干缩应力对衬砌位移的影响机制 王潘绣等针对薄壁渡槽结构进行了混凝土干缩应力分析明确了渡槽结构干缩应力损伤位置 高原等以现浇混凝土圆柱为例提出了干缩应力计算方法并对混凝土开裂风险进行了研究 需要说明的是在衬砌建筑浇筑过程中虽然干缩应力是主要病害因素但是温度应力依然不可忽略 温湿耦合成为混凝土浇筑过程中开裂分析的趋势 李洋等分析了温度场和湿度场作用下衬砌收缩量和应力变化规律 黄今等对隧道衬砌混凝土耦合场研究现状和未来发展趋势进行了总结和分析并指出了温度场和湿度场耦合应力分析的必要性 杜义超采用有限元方法对橡胶混凝土衬砌的湿度场和温度场进行耦合分析并验证了橡胶混凝土的抗裂能力 李萌结合温度场和湿度场的相互作用分析了高温高压作用下衬砌内考虑温度影响的湿度扩散规律虽然目前已经提出相关理论和温湿耦合方法并得 人 民 长 江 年到了验证 但是对于温湿耦合作用下衬砌养护极限时间的研究还不多见 理论上养护时间越长越好不仅随着时间延长混凝土强度增加而且可以避开温度应力峰值减少耦合应力极值出现时间增加衬砌混凝土安全性 尤伟杰等通过温湿耦合计算指出混凝土养护时间对结构安全性极为重要停止养护后混凝土约束应力和开裂风险快速增大 但是对于大范围衬砌过长时间的养护会增加工程造价因此明确衬砌养护最短时间对于工程安全和造价控制非常必要 本文结合温湿场耦合应力计算方法针对衬砌养护最短时间展开以为大型衬砌工程施工养护提供参考 混凝土湿度场理论.湿度扩散方程混凝土中湿度扩散方程如下:()()式中:为湿度扩散系数 为结构的相对湿度为混凝土内部相对湿度的损失速率 为时间 为位置坐标.边界条件初始条件为求解湿度扩散方程计算混凝土湿度场须知道扩散方程的定解条件即其初始湿度状态与边界条件初始条件:()()()式中:()为湿度常数第一类边界条件:()()()式中:()为位置()处混凝土在时刻 的湿度分布函数第二类边界条件:()()式中:为混凝土表面法向对于不进行湿度交换的边界条件/第三类边界条件:()()式中:为结构外表面的水分交换系数为边界相对湿度为外界介质相对湿度.计算参数选取湿度扩散系数 和水分交换系数 是湿度场计算的两个重要系数因为湿度扩散是一个复杂的过程该系数随着外界条件的改变而不断改变在计算干缩应力时必须确定湿度扩散系数和水分交换系数()湿度扩散系数 混凝土结构在湿度扩散过程中 和 之间的特定关系可用来表示其内部含水量 对 的影响 可表示为 ()()式中:结构 系数为在湿度饱和状态下的湿度扩散系数无实测资料情况下可由公式/估算取 ./(为混凝土平均抗压强度)参数 取值一般由实验测定且为常数无实测资料时也可参考文献()表面水分交换系数 混凝土外表面的水分交换系数 随外界环境因素变化而改变 等提出了 变化规律的计算公式:/.()式中:/为用百分数表示的水灰比 实例分析南水北调中线工程包含很多输水渠道工程本章以南水北调中线一期工程总干渠沙河南 黄河南潮河段第五施工标段渠道机械化衬砌施工为例对大型引水渠道机械化衬砌施工进行分析研究 衬砌采用衬砌机一次性成型其尺寸为.(见图)根据当地资料施工期间平均风速为/各月份相对湿度值如表 所列年均相对湿度为 衬砌采用 混凝土浇筑时间为 个月图 衬砌方向示意.表 实地平均相对湿度.月份湿度/月份湿度/第 期 邱 岗等:考虑温湿场耦合应力的衬砌湿养护最短时间确定.湿度场模型选取选取满足湿度场分析要求的足够大基岩其尺寸为:方向 方向.方向 计算模型如图 所示 对于三维混凝土应采用三维热实体单元 进行湿度场分析该单元适合进行湿度 应力分析 假如模型包括实体传递结构单元可用 单元等效代替该单元进行结构分析 对衬砌进行湿度场的仿真计算时计算时间取结束养护后的 图 衬砌有限元模型及结果.湿度场计算结果与分析分别选取衬砌内部中心点和上表面中心点作为典型点分析其湿养护结束后 内的相对湿度变化情况 图 为两个典型点湿度变化历时曲线由图 中可以看出:衬砌内部相对湿度变化速度远远小于上表面湿度变化这是因为湿度扩散系数很小湿度在混凝土内部扩散速率很慢而湿度在上表面因为与空气直接接触与空气进行湿度交换速度却很快 上表面中心点处湿度在第 天基本与空气湿度达到一致而 内衬砌内部中心点相对湿度仅从 下降到.衬砌内部相对湿度下降速率远远小于表面湿度降低速率.干缩应力计算结果与分析图 为湿养护结束后 内衬砌干缩应力历时变化曲线由图中可以看出在第 天衬砌干缩应力图 不同位置相对湿度变化历时曲线.达到最大值(.)之后开始缓慢下降干缩应力值远大于温度应力值而且衬砌混凝土后期干缩应力变化速率要小于温度应力这是因为衬砌是典型薄壁结构厚度很小上表面面积很大混凝土水化热反应产生的热量尚未在内部聚集已经通过与空气接触散热完毕温度梯度较小而衬砌在湿养护结束后上表面湿度迅速扩散到空气中湿度降低而湿度在混凝土内部扩散十分缓慢中心点湿度变化很小湿度梯度较大干缩应力较大 在上表面湿度与空气湿度达到一致后随着衬砌湿度在内部逐渐进行扩散湿度梯度减小干缩应力逐渐降低由于湿度扩散速率很慢因此干缩应力后期降低速率很慢图 干缩应力变化历时曲线.衬砌最大应力值位置和方向.干缩应力和温度应力最大值位置温度应力和干缩应力产生机理基本相同都是温度场和湿度场的梯度变化和混凝土变形而产生应力因为温度在混凝土内部的传导速度远大于湿度传导速度对于衬砌这种典型的薄壁结构其温度应力和干缩应力发生位置并不完全一致研究两种应力出现位置对于预防温度裂缝和干缩裂缝有很大意义经过模拟各种工况发现同一工况下不同时间点衬砌最大温度应力和干缩应力出现位置是不断变化的 不同混凝土厚度下衬砌温度应力最大值出现的位置坐标为()、(.)、()、(人 民 长 江 年)、()和()不同浇筑温度下衬砌温度应力最大值出现的位置坐标为(.)、()、(.)、()和()由此可知:温度应力最大值主要出现位置点为()、()、()和()不同工况下干缩应力最大值主要出现位置较为统一为(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)、(.)由以上统计数据可知温度应力最大值主要出现在衬砌底面 条边界中心点附近干缩应力最大值主要出现在衬砌上表面长边中线位置(见图)因为温度在混凝土内传导速度较快且混凝土的厚度仅为 相对于混凝土长()和宽()基本可以忽略因此混凝土温度内部聚集效应远弱于外表面温度扩散效应 衬砌混凝土在浇筑初期很快就与空气完成温度交换混凝土内部与表面温度梯度较平稳由温度差产生的温度应力较小 而混凝土底面不仅与地基进行温度交换与混凝土内部产生温度差同时由于地基对混凝土底面变形的限制制约了混凝土自身变形和徐变对温度应力的消弱作用因此温度应力最大值出现在混凝土底面 又因为地基对底面变形约束效应主要体现在底面 条边界中心点上因此衬砌各种工况下最大温度应力发生在底面 条边界中心点附近图 衬砌底面温度应力最大值位置点.湿度在混凝土中的传导速度相对于温度要缓慢的多混凝土中心湿度扩散是一个十分漫长的过程导致混凝土内部和外表面湿度差值较大湿度场梯度较大而且地基湿度扩散系数为./与混凝土的湿度扩散系数相差不大混凝土底面与地基相接触时湿度扩散效果不明显底面与内部湿度差值较小底面范围内湿度变化较平稳湿度梯度值较小因此混凝土底面的干缩变形较小地基对混凝土底面约束效果不明显 这些因素造成了衬砌混凝土底面干缩应力小于上表面 而由于混凝土上表面长边的湿度扩散面积相对较大导致干缩应力最大值出现在长边中线靠近边界位置呈对称分布如图 所示图 衬砌上表面干缩应力最大值位置点.综合分析可知衬砌温度裂缝最有可能发生在底面 当浇筑混凝土时浇筑温度过高或者外界处于降温期时衬砌容易发生温度裂缝此时应注意加强衬砌底面混凝土保护措施如在底层布置温度钢筋等当外界环境干燥湿度较低衬砌容易发生干缩裂缝此时应延长衬砌上表面湿养护时间特殊情况下可在表面布置温度钢筋.干缩应力和温度应力裂缝方向在实际工程中要完全避免裂缝产生是很难的因此不仅要采取一些列工程措施更要在裂缝发生后抑制裂缝的扩展比如配置钢筋等 所以研究温度裂缝和干缩裂缝的开裂方向就尤其重要因为混凝土是脆性材料在 个主应力中主要关心的是最大主应力即第一主应力通过 命令 可以提取混凝土模型节点应力的方向根据第一主应力方向就可以得到温度裂缝和干缩裂缝方向本文选取的衬砌模型尺寸为.因模型划分单元格较多为计算简便且温度裂缝和干缩裂缝主要发生在衬砌表面选取衬砌计算时段内最大应力节点为典型点并作为应力方向研究对象典型点的坐标位置见图 根据 模拟结果提取各个典型点达到最大应力值时应力方向如表 所列表中数值为应力与 轴、轴和 轴夹角的余弦值由表 可以看出:衬砌底面宽边典型点第一主应力应力方向与宽边平行指向 轴正向衬砌底面长边典型点第一主应力应力方向与长边平行指向 轴正向 综合来说衬砌最大温度应力方向与衬砌边界平行(见图)当抗拉强度小于混凝土温度应力时会产生垂直边界的裂缝 因此为防止混凝土产生温度裂缝可在混凝土底面 条边界上配置垂直边界的温度钢筋 第 期 邱 岗等:考虑温湿场耦合应力的衬砌湿养护最短时间确定表 应力最大值点矢量方向.类别编号 轴 轴 轴温度应力矢量方向干缩应力矢量方向图 温度应力最大值第一主应力方向.相对于温度应力干缩应力的方向比较统一均平行于衬砌长边指向 轴正向(见图)因为衬砌厚度远远小于衬砌长和宽衬砌四周边界附近的混凝土节点既可以通过侧面湿度交换产生湿度差带动湿度扩散又可以通过上表面带动湿度扩散 而衬砌中间点混凝土因为离左右边界距离较远湿度扩散效用基本可忽略不计仅通过上表面带动湿度扩散因此中心点湿度值较大 加之边界附近湿度值最低在上表面中线靠近边界位置产生最大温差为最大干缩应力值点对于衬砌这种典型薄壁结构干缩应力的危害要远大于温度应力因为干缩应力最大值方向平行于衬砌长边容易产生横向的干缩裂缝因此布置温度钢筋时可增大衬砌纵向配筋率抑制干缩裂缝的发生和扩展由以上分析可知温度应力最大值方向主要是平行于底面边界干缩应力最大值方向主要是平行于衬砌上表面纵向在实际工程中为减小两种应力的破坏可根据最大值应力的方向实施相应的工程措施以减少温度应力和干缩应力的危害 衬砌湿养护时间分析衬砌浇筑完成后一般覆盖保温材料并浇水进行湿养护在此时段内混凝土可认为处于饱和状态不发生干缩应力当停止湿养护后表面湿度与空气进行湿图 干缩应力最大值应力方向.度交换混凝土内部湿度开始向外扩散混凝土产生湿度差产生干缩应力 由此可知湿养护结束时间点即混凝土衬砌干缩应力发生时间 湿养护时间越长干缩应力产生时间越晚混凝土抗拉强度越大安全系数越高相应投资越大湿养护时间越短干缩应力产生时间越早混凝土抗拉强度越小安全系数越低 因此湿养护时间存在一个最小值在养护结束后混凝土衬砌拉应力最大值等于该时间点的混凝土抗拉强度当养护时间小于该值时混凝土会发生裂缝养护时间大于该值且越大混凝土安全系数越大.衬砌耦合应力最大值选取衬砌湿养护时间的确定关键在于干缩应力和温度应力耦合应力最大值的计算 目前关于湿度场和温度场耦合场计算比较复杂同时在实际工程中为计算简便提高效率本文采取同一时期衬砌上表面长边干缩应力最大值处的干缩应力与温度应力之和作为该时期耦合应力最大值参考值理由如下:()对于衬砌薄壁结构干缩应力数值要远大于温度应力因此选择干缩应力极值处耦合应力作为耦合应力最大值参考()温度应力和干缩应力均在衬砌长度方向的中间位置出现极值由于衬砌厚度较小相对衬砌长度可以忽略不计衬砌上表面长边处温度应力局部极值与下表面长边处温度应力整体极值在数值和方向上差别较小 因此该位置的耦合应力极值与温度应力极值和干缩应力极值之和较为接近()干缩应力和温度应力最大值出现的位置不同且方向并不一致因此同时期温度应力和干缩应力耦合应力一定小于干缩应力最大值与温度应力最大值之和 如果将干缩应力最大值与温度应力最大值之和作为耦合应力最大值参考值在此工况下衬砌未发生裂缝破坏那么实际情况下衬砌耦合应力也不会发生裂缝破坏()设干缩应力值为 温度应力为 耦合应力为 混凝土允许拉应力为 在抗裂验算中取安 人 民 长 江 年全系数为 表示应力极值可按下列公式验算衬砌抗裂性:()()()在实际工程验算中因为工程模拟有一定的误差为了保证工程安全性通常取一个大于 的安全系数则衬砌抗裂性公式可进行以下变换:()()由公式变换可知用温度应力最大值和干缩应力最大值之和作为耦合应力最大值参考值相当于在实际工况的基础上取了一个安全系数可以弥补工程模拟与实际情况的误差安全性更高更符合实际工程情况.衬砌湿养护最短时间因为衬砌结构是厚度相比长度和宽度可以忽略不计的薄壁结构衬砌干缩应力远大于衬砌温度应力在衬砌湿养护过程中衬砌湿养护时间越长最大干缩应力出现时间就越往后对应的衬砌允许抗拉强度就越大衬砌就越安全为确定衬砌混凝土允许抗拉强度需要确定衬砌混凝土 龄期的抗压强度对于没有实测资料的混凝土通常采用经验公式表示即:()()式中:为混凝土的灰水比为混凝土 龄期的抗压强度、为经验系数为水泥 龄期的实际抗压强度 此案例中衬砌混凝土 的抗压强度为.根据混凝土抗拉强度公式得到衬砌 内允许抗拉强度如图 所示图 为浇筑温度为 时混凝土最大温度应力 内历时变化曲线可以看出衬砌在第 天温度应力达到最大值为.浇筑完成后 附近衬砌水化热反应已经完成衬砌温度场温度场稳定残余应力为.设衬砌允许干缩应力值为 由.节分析可知:图 为不进行湿养护时衬砌允许干缩应力值和衬砌实际干缩应力值对比情况可以看出在前期实际干缩应力比较小小于允许应力 满足衬砌防裂要求在后期实际干缩应力开始下降允许应力缓慢增长实际干缩应力 也小于允许应力 同样满足衬砌防裂要求 只在中期第 天实际干缩应力接近达到最大值时出现干缩应力 大于允许干缩应力 的情况此时如果防裂措施不当会出现干缩裂缝图 衬砌混凝土允许抗拉强度.图 衬砌混凝土最大温度应力值历时曲线.图 实际干缩应力和允许干缩应力对比.表 为第 天实际干缩应力和允许干缩应力值具体数值由表中可以看出在第 天实际干缩应力与允许干缩应力差值达到最大(.)此时衬砌最为危险容易发生裂缝 因此为防止裂缝的发生衬砌浇筑完成后需要进行湿养护延后实际干缩应力的出现时间 第 天衬砌干缩应力为.与该应力值最为接近的允许干缩应力为.()为防止衬砌裂缝可在衬砌浇筑初期湿养护将第 天最危险应力延后至第 天湿养护时间为至少 图 为湿养护时间为 时实际干缩应力与允许干缩应力对比情况 从图中可以看出 第 期 邱 岗等:考虑温湿场耦合应力的衬砌湿养护最短时间确定衬砌干缩应力完全在允许干缩应力包络线范围内两种应力曲线在第 天相切满足衬砌防裂需求 由图 可知混凝土主要水化热反应主要发生在第 天且衬砌混凝土因为表面积很大厚度很薄表面湿养护的水分能够扩散到混凝土内部满足整个混凝土水化热反应需水 因此湿养护 能够满足衬砌水化热反应需水要求表 实际干缩应力和允许干缩应力值具体数值.时间/实际干缩应力/允许干缩应力/差值/.图 湿养护 后实际干缩应力和允许干缩应力对比.结 论本文结合有限元方法得到了衬砌结构干缩应力和温度应力的变化趋势、极值位置和方向 结合简易温湿场耦合应力计算方法给出了衬砌结果最低养护时间()衬砌结构中干缩应力危害要大于温度应力因此衬砌结构的湿养护在工程中是必需的()衬砌结构中温度应力极值一般出现在衬砌底面长边和短边中心位置方向平行于衬砌切割方向干缩应力极值一般出现在衬砌表明的长边中心线位置方向平行于长边切割方向()衬砌湿养护可以延迟耦合应力极值出现时间提高衬砌结构安全系数 对于本文案例湿养护至少养护 才能保证衬砌结构安全参考文献:刘有志.水工混凝土温控和湿控防裂方法研究.南京:河海大学.王浏刘.温湿条件下闸墩结构力学行为分析.天津:天津大学.程大鹏.混凝土湿度场及干缩应力的差分算法研究.人民长江():.余俊文振帆刘卓航等.隧道干缩应力及其引起位移规律的研究.地下空间与工程学报(增):.王潘绣赵海涛.薄壁混凝土结构干缩应力研究.结构工程师():.高原张君侯东伟.早龄期混凝土湿度应力计算与开裂风险评估.工程力学():.李洋娄宗科张文郁等.受周围环境影响的渠道衬砌板胀缩研究.灌溉排水学报():.黄今陈拴发盛燕萍.隧道衬砌混凝土开裂与耦合场研究进展.混凝土():.杜义超.渠道橡胶混凝土衬砌结构原型试验与数值分析.郑州:郑州大学.李萌.高温高湿气候下隧道洞口段围岩(衬砌)热湿应力分析.北京:北京交通大学.尤伟杰王有志张雪等.高强混凝土温湿耦合应力计算与开裂风险分析.哈尔滨工业大学学报():.马跃先陈晓光.水工混凝土的湿度场及干缩应力研究.水力发电学报():.():.马跃先邓旭黄河.基于 软件的混凝土湿度场差分算法.水电能源科学():.黄达海刘光廷.混凝土等温传湿过程的试验研究.水利学报():.():.王建戴会超顾时冲.混凝土湿度运移数值计算综述.水力发电学报():.:.():.人 民 长 江 年 张国威.基于地基沉降的输气管道应力分析与监测.大庆:东北石油大学.侯东伟.混凝土自身与干燥收缩一体化及相关问题研究.北京:清华大学.吴蒙.水工混凝土湿热耦合应力研究.北京:清华大学.(编辑:胡旭东)(.):.: